納米材料作為抗菌肽遞送載體的研究進展

康芷若，王如霞，陳夢涵，梁寅峰，張路遙，張德顯，劉明春

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院，遼寧沈陽 110866)

抗菌肽(antimicrobial peptides，AMPs)是一類兩親性陽離子短肽，其氨基酸數(shù)量多在100以內(nèi)。細(xì)菌的細(xì)胞膜上含有豐富的陰離子，與真核細(xì)胞相比，陽離子多肽與細(xì)菌的細(xì)胞膜之間更易產(chǎn)生靜電相互作用，使細(xì)胞膜上形成孔洞，胞內(nèi)物質(zhì)泄漏[1]，某些抗菌肽也可以抑制細(xì)菌核酸、蛋白質(zhì)或細(xì)胞壁的合成[2]?？咕牟粌H具有廣譜抗菌活性，比如對大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌等多種病原菌均具有良好的抗菌活性，還能夠抑制細(xì)菌生物被膜的形成[3]；同時能夠調(diào)節(jié)機體的免疫反應(yīng)和全身炎癥反應(yīng)，發(fā)揮良好的抗感染治療效果。為了克服有些抗菌肽的溶血性、低蛋白酶抗性[4]及易被生物體內(nèi)的蛋白酶降解等缺點，人們通常通過結(jié)構(gòu)改造或使用納米材料對抗菌肽進行吸附或包埋等策略來提高其穩(wěn)定性，減低其毒性，改善治療效果[5]。

納米材料是一種應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等多個領(lǐng)域的生物材料，種類繁多，如脂質(zhì)體、金屬納米顆粒、聚合物等，可根據(jù)其材料特性分為無機納米材料和有機納米材料[6]。納米材料通常具有生物相容性、可控釋放性、低毒性等特點[7]，與抗菌肽結(jié)合后，可避免抗菌肽被生物體內(nèi)的蛋白酶降解，并將其遞送到機體特定部位釋放藥物[8]；納米載體對抗菌肽的改造，還能夠使可用于臨床的抗菌肽的數(shù)量增加。

本文主要介紹納米材料作為遞送載體在改善抗菌肽藥理活性及不良反應(yīng)方面的研究進展，以期為深入研究和促進納米材料及抗菌肽的廣泛應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 抗菌肽簡介

抗菌肽可以由哺乳動物、兩棲動物、魚類、昆蟲、植物和微生物等產(chǎn)生，根據(jù)其二級結(jié)構(gòu)不同可將其分為α-螺旋結(jié)構(gòu)、β-折疊結(jié)構(gòu)、β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)及延伸結(jié)構(gòu)等。α-螺旋型抗菌肽主要特征為分子內(nèi)具有一個或多個螺旋結(jié)構(gòu)域。β-折疊型抗菌肽分子內(nèi)存在β-折疊和反平行的β-折疊結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的二硫鍵。具有β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)的環(huán)形肽具有高度可變性。具有延伸結(jié)構(gòu)的抗菌肽多為線型，富含甘氨酸等小分子氨基酸，富含的堿性氨基酸使得其具有強堿性[9]。由于抗菌肽存在較多的疏水鍵，從而具有較好的水溶性。抗菌肽具有廣譜抗菌活性，比如對大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌等多種病原菌均具有良好的抗菌活性。另據(jù)報道，抗菌肽亦具有調(diào)節(jié)機體免疫反應(yīng)和促進傷口愈合等優(yōu)點[10]。然而，有些抗菌肽具有溶血性和低蛋白酶抗性，能夠使紅細(xì)胞破裂，血紅蛋白逸出，對機體造成危害；低蛋白酶抗性使得抗菌肽易被生物體內(nèi)的蛋白酶降解，降低藥物的治療效果。可以通過替換氨基酸殘基、截取短序列抗菌肽、改變短肽的結(jié)構(gòu)參數(shù)、合成雜合肽等方法對抗菌肽進行改造，從而降低其對機體的危害[11]。目前，抗菌肽已應(yīng)用于畜牧養(yǎng)殖、食品保鮮、農(nóng)作物殺蟲劑、護膚品等多個領(lǐng)域。

2 無機納米材料作為抗菌肽的遞送載體

無機納米材料包括金屬納米顆粒、磁性納米顆粒、碳納米管和量子點等。由于具有獨特的生物學(xué)特性、更大的比表面積和能夠攜帶更多的藥物等優(yōu)點，無機納米材料被應(yīng)用于多種藥物的遞送。無機納米材料的作用機制通常為活性氧(ROS)機制、納米顆粒與細(xì)菌膜的相互作用、金屬離子與細(xì)胞壁的相互作用和納米顆粒與蛋白質(zhì)上的巰基作用等。某些無機納米材料可以與磁場或光相互作用觸發(fā)藥物釋放，局部加熱以達到抗菌和抗癌效果[12-15]。

2.1 金屬納米顆粒

金屬納米顆粒(MNPs)具有制備簡單、價格低廉、性能穩(wěn)定、獨特的光學(xué)特性和生物學(xué)特性等優(yōu)點[16]，其中對銀納米顆粒和金納米顆粒的研究相對廣泛。金屬納米顆粒與抗菌肽結(jié)合后可提高抗菌肽的穩(wěn)定性，較小的納米顆?？梢员苊獗幻庖咻d體識別和清除[17]，保護抗菌肽不被蛋白酶水解，選擇性遞送到特定的部位。

銀納米顆粒(AgNPs)具有導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性[18]。李文茜將多功能抗菌肽(MFP)通過物理相互作用與銀納米顆粒結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌具有較好的抗菌活性，甚至對于多重耐藥鮑曼不動桿菌也具有良好的抗菌活性，提高了炎癥靶向性，降低了酶敏感性，且不易產(chǎn)生耐藥性[19]。Gao J等將抗菌肽(P-13)和銀納米顆粒結(jié)合成一種直徑約為11 nm的復(fù)合材料，可以提高抗菌肽的抗菌活性，降低細(xì)胞毒性，并在水溶液中保持良好的穩(wěn)定性，其結(jié)合物對大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌、短小芽孢桿菌和銅綠假單胞菌的最低抑菌濃度分別為7.8 μg/mL和15.6 μg/mL。流式細(xì)胞儀對大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和短小芽孢桿菌的檢測結(jié)果表明，菌株的死亡率分別達到96%、96%、91%和90%[20]。

金納米顆粒(AuNPs)有許多獨特的光學(xué)性質(zhì)，即局域表面等離子體共振，可通過光熱殺菌，且具有優(yōu)異的生物相容性，在醫(yī)學(xué)診斷等方面具有廣泛的應(yīng)用[12]。Lee B等人將抗菌肽(HPA3Phis)負(fù)載到金納米顆粒DNA適配體(AuNP-Apt)上，與單獨使用抗菌肽相比，結(jié)合物提高了抗菌肽對創(chuàng)傷弧菌的穿透性和殺滅速度，而對宿主細(xì)胞無影響[21]。

在金屬納米顆粒中，銀納米顆粒和金納米顆粒因出色的抑菌潛力被廣泛研究，作為藥物的遞送載體能夠與藥物協(xié)同抗菌。

2.2 磁性納米顆粒

磁性納米顆粒(MNPs)具有合成簡單、毒性較低、易于對其進行表面修飾等特點，可用于藥物的遞送載體、磁熱療法，并在腫瘤治療中得到了廣泛的應(yīng)用[22]。磁性納米顆?？梢钥刂扑幬锏某掷m(xù)釋放[23]，也可以通過調(diào)整粒徑大小和進行表面修飾，使磁性納米顆粒與抗菌肽的結(jié)合物具有更好的治療效果。

Niemirowicz K等人將抗菌肽(CSA-13)與磁性納米顆粒結(jié)合，發(fā)現(xiàn)結(jié)合物對銅綠假單胞菌的殺滅效果優(yōu)于單獨使用CSA-13，能夠抑制細(xì)菌生物被膜的生長，并且抗菌肽能夠從磁性納米顆粒中緩慢且持續(xù)的釋放[24]。將抗菌肽(LL-37)與磁性納米顆粒結(jié)合，不僅提高了對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌的殺滅能力，而且使得藥物更好的發(fā)揮治療效果[25]。抗菌肽LL-37和CSA-13與磁性納米顆粒的結(jié)合物，都能夠抑制脆弱擬桿菌和痤瘡丙酸桿菌生物被膜的合成[26]。

磁性納米顆粒通常是指鐵等本身具有磁性的物質(zhì)，可以應(yīng)用在細(xì)菌感染的檢測和治療中，其中磁性氧化鐵(Fe3O4)納米顆粒具有很好的應(yīng)用前景。

2.3 碳納米管

碳納米管(CNTs)是由碳原子共價鍵合而成的圓柱形中空結(jié)構(gòu)，分為單壁納米管(SWCNT)和多壁納米管(MWCNT)。碳納米管的長度和直徑起著主要的殺菌作用，其機制可能是機械損傷導(dǎo)致細(xì)胞破壞，進一步產(chǎn)生活性氧[27]。多壁碳納米管是由多層石墨烯組成，層與層之間的間距約為0.34 nm，可用于藥物遞送。碳納米管在水中的溶解性較差，分散性較低，生物降解性較差[28]。Kang S等人發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管具有更高的抗菌活性，與單壁碳納米管相比，多壁碳納米管對人和動物細(xì)胞的毒性較小[29]。

Hadidi N等人將聚乙二醇化的單壁碳納米管作為環(huán)孢菌素A的納米遞送載體，能夠增強環(huán)孢菌素A的穩(wěn)定性，在體外緩慢釋放[30]。Qi X等人通過連接物(聚乙二醇)將抗菌肽(Nisin)與多壁碳納米管相連，其抗菌活性提高了7倍，對大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和枯草芽孢桿菌均有抑制作用[31]。

碳納米管的載藥量大，對細(xì)胞膜通透性強，具有殺菌作用，并且體內(nèi)循環(huán)時間較長。

2.4 其他無機納米材料

除上述介紹的金屬納米顆粒、磁性納米顆粒和碳納米管外，介孔二氧化硅納米顆粒和量子點等無機納米材料亦被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。硒納米顆粒(SeNPs)具有抗菌作用，產(chǎn)生活性氧機制，能夠造成遺傳損傷，并在組織間累積[32]。量子點(QD)又稱半導(dǎo)體納米晶，一般由CdTe等半導(dǎo)體材料構(gòu)成，也可由兩種或兩種以上的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，具有明顯的量子效應(yīng)、高亮度等獨特的光學(xué)性質(zhì)[33]。金銀合金納米顆粒比單獨使用一種金屬納米粒具有更強的抗菌活性[32]。

此外，也可以將多種無機納米材料聯(lián)合使用作為藥物的載體，例如將鍍銀碳納米管與抗菌肽偶聯(lián)后可提高對金黃色葡萄球菌、化膿鏈球菌、沙門氏菌和大腸埃希氏菌的抗菌活性[34]。碳納米管和金納米粒子結(jié)合可以增強宿主防御肽(indolicidin)的免疫活性[35]。

不同的無機納米材料因其結(jié)構(gòu)不同，抑菌作用機理與性質(zhì)也會不同，將無機納米材料聯(lián)合使用通?？梢允沟盟幬锏目咕钚栽鰪姟?/p>

3 有機納米材料作為抗菌肽的遞送載體

有機納米材料易于制得，并且種類繁多，與抗菌肽結(jié)合的選擇性也更多，例如脂質(zhì)體、水凝膠和環(huán)糊精等。有機納米材料具有很好的穩(wěn)定性、生物相容性、可生物降解性，同時也更具有安全性，對機體的損傷更低?？咕脑诒挥袡C納米材料包裹后，能避免蛋白酶的降解，穩(wěn)定且持續(xù)釋放，并減少了非特異性遞送。一些有機納米材料(例如殼聚糖納米粒)與細(xì)菌的細(xì)胞膜發(fā)生靜電相互作用，改變細(xì)胞膜的通透性[36]，便于藥物殺滅細(xì)菌。一些有機納米材料也可以通過光或磁場遠(yuǎn)程觸發(fā)藥物釋放，例如水凝膠與微凝膠等[37]。

3.1 脂質(zhì)體納米材料

脂質(zhì)體是由磷脂組成的單層或多層球形封閉小泡，主要成分是磷脂，其次為膽固醇[38]。脂質(zhì)體可生物降解，生物相容性好，毒性和免疫原性都很低，特別適合于遞送抗菌肽這類兩親性多肽，它們將疏水分子和親水分子包裹在脂質(zhì)雙層或含水空腔中，能夠減緩藥物的降解速度，控制其釋放，增加對靶點的親和力[39]?；谥|(zhì)的納米材料有脂質(zhì)體(liposomes)、固體脂質(zhì)納米粒(SLNs)、納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體(NLCs)和液晶納米顆粒(LCNPs)等。

蒲傳奮等人研究發(fā)現(xiàn)抗菌肽(G-K)脂質(zhì)體對大腸埃希氏菌具有明顯的抑菌作用，且藥物可緩慢釋放[40]。 馮英泉等人用脂質(zhì)體包裹蟾蜍抗菌肽，分析發(fā)現(xiàn)結(jié)合物降低了抗菌肽對細(xì)胞的毒性，提高了穩(wěn)定性，能緩慢釋放抗菌肽，有效延長了藥物對金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏菌、銅綠假單胞菌、白色念珠菌的抑菌時間，提高了生物利用度[41]。

脂質(zhì)體是應(yīng)用廣泛的傳遞抗微生物藥物的有機納米材料，能夠改善抗菌肽的藥代動力學(xué)和藥效學(xué)，可以控制和維持藥物釋放。

3.2 聚合物納米材料

聚合物是指由多個重復(fù)的小分子組成的大分子，包括天然聚合物，如纖維素、殼聚糖等；還有合成的聚合物，如聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚乙二醇(PEG)等。聚合物具有易于制備，穩(wěn)定性良好，生物降解性與生物相容性等特點，使其在生物醫(yī)學(xué)和食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用[42]。

水凝膠是親水性聚合物鏈在水環(huán)境中通過化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)而成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠，具有溶脹的特點，能夠存儲大量的水而不被溶解，并且負(fù)載多種類型的分子[43]。通過控制水凝膠的形狀、大小、含水量可以控制藥物的釋放速度和劑量[44]。Yang G等人研究了含有抗菌肽(RADA16)的新型水凝膠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該結(jié)合物能夠促進骨間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)的增殖并抑制金黃色葡萄球菌的生長，并且可以持續(xù)釋放抗菌肽到第28天[45]。

聚乳酸-羥基乙酸共聚物是一種納米級合成聚合物顆粒，可用于藥物的遞送。Li等人將抗菌肽(KSL-W)負(fù)載到PLGA/殼聚糖復(fù)合微球(KSL/PLGA/CS-MSs)上，發(fā)現(xiàn)可以控制KSL-W的釋放，對具核梭桿菌有明顯的抗菌作用，且對成骨細(xì)胞無細(xì)胞毒性[46]。Chereddy K K等人發(fā)現(xiàn)與單獨使用PLGA或LL37相比，使用PLGA與LL37的結(jié)合物可明顯加快了創(chuàng)面愈合，促進血管生成，調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)[47]。

聚合物是一類以天然高分子為基礎(chǔ)的抗菌藥物載體，制備簡單，穩(wěn)定性好，根據(jù)其性能不同具有不同的用途，例如用于外敷和靜脈注射等。

3.3 環(huán)糊精

環(huán)糊精(CD)是由1，4-糖苷鍵將葡萄糖單元結(jié)合形成的環(huán)狀低聚糖，分為α-環(huán)糊精和β-環(huán)糊精等，不同類型的環(huán)糊精具有不同數(shù)量的葡萄糖單元[48]。環(huán)糊精為中空結(jié)構(gòu)，具有疏水內(nèi)腔和親水表面，這種結(jié)構(gòu)使得其更易形成超分子復(fù)合物，提高藥物穩(wěn)定性、生物相容性和溶解性[49]。環(huán)糊精已被用于制藥、化妝品和食品工業(yè)的配方中?？咕牡氖杷畾埢梢圆迦氲江h(huán)糊精的疏水內(nèi)腔中，使結(jié)合物更加穩(wěn)定的在體內(nèi)運輸。

Li J F等人將β-環(huán)糊精(β-CD)與抗菌肽(ABP-CM4)結(jié)合，該結(jié)合物增強了ABP-CM4的理化性質(zhì)，但并未降低其抗菌活性。在β-環(huán)糊精的保護下，ABP-CM4的穩(wěn)定性和對蛋白酶的敏感性明顯提高[50]。Zhang M K等人將抗菌肽(alamethicin)封裝到γ-環(huán)糊精中，與單獨使用抗菌肽相比，具有更高的溶解度、對溫度和pH具有更好的穩(wěn)定性，以及對李斯特菌具有更好的抗菌活性[51]。

環(huán)糊精不具有毒性，在體內(nèi)可降解，更加安全，對熱穩(wěn)定，廉價易得，是一類較好的藥物載體。

3.4 其他有機納米材料

除上述介紹的幾種有機納米材料外，還有多種有機納米材料被應(yīng)用于抗菌肽的遞送，如樹枝狀大分子和核酸適配子等。樹枝狀大分子(dendrimers)是高度分化的納米尺寸星形大分子，具有多種分散體系，明確的分子量等特點[52]。樹枝狀大分子可以通過物理相互作用或化學(xué)鍵合與抗癌、抗炎和抗菌藥物結(jié)合[53]。核酸適配子(nucleic acid aptamers)，是由20個～80個核苷酸組成的RNA或單鏈DNA分子，具有獨特的三維結(jié)構(gòu)，靶向性強、結(jié)合親和力高、免疫原性低、易于修飾等優(yōu)點，主要用于靶向治療、成像和藥物遞送[54]。核酸適配子在分子和細(xì)胞工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在癌癥治療上的應(yīng)用[55]。透明質(zhì)酸(hyaluronan acid)是一種通過糖苷鍵連接而成的糖胺聚糖，可制備成納米顆粒遞送藥物，具有pH響應(yīng)性，可生物降解[56]。

有機納米材料各具特色，可以與藥物結(jié)合，同時攜帶親水性和親脂性藥物，用于藥物的精準(zhǔn)遞送，實現(xiàn)可控釋放。

4 展望

不同的納米材料，包括金屬納米顆粒、聚合物、脂質(zhì)體、樹狀大分子等，已被用作抗菌肽的遞送載體。納米材料種類繁多，各有特色，盡管抗菌肽與納米材料的結(jié)合物通常具有更好的抗菌活性，對藥物進行可控釋放，有的還具有生物可降解性，但是納米材料仍存在一些問題，比如一些納米材料不夠穩(wěn)定可能會導(dǎo)致包裹的抗菌肽發(fā)生泄漏，有的納米材料具有載藥量低、對高溫敏感以及生產(chǎn)成本高等缺點；有的納米材料如金屬納米顆粒在機體內(nèi)不能被降解，容易聚集在組織和細(xì)胞中，由于活性氧的過量產(chǎn)生，導(dǎo)致細(xì)胞損傷。對于納米材料毒性的報道相對較少，一些納米材料的作用機理也并不是十分清楚。因此，有必要對現(xiàn)有的納米載體進行深入的研究，改進或設(shè)計新的納米載體，以便更精確的將抗菌肽傳遞到作用部位，提高藥物的治療效果。